Motocicletas e Scooters Elétricos

Bem, é com muita satisfação que aqui neste blog, pela primeira vez, eu vou falar sobre Motocicletas e Scooters Elétricas.

Já era sem tempo pois, o blog está comemorando 6 meses de existência e, além do mais, eu mesmo sou motoqueiro, com muito orgulho da minha VELHA Suzuki GS 500E que, apesar do ano de fabricação dela (2008) não ser assim tão antigo, mas acontece que esta máquina foi fabricada por um período total de 21 anos, entre 1989 e 2009, mantendo sempre, exatamente, a mesma tecnologia. Obviamente que essa motocicleta de estrada padrão não é (infelizmente) uma moto elétrica mas, sim, equipada com um motor movido a combustão de gasolina, bicilíndrico de 487cc, 

Todavia, eu garanto que o meu "outro" sonho de consumo (além do carro elétrico) é poder rodar o meu dia a dia em uma motocicleta elétrica. Ainda tenho (apenas) 50 vividos, quem sabe eu chego lá ...

Brammo Empulse 2011 Carregando, ainda s/ conector SAE J-1772

Assim como o que acontece com os carros elétricos, as Motocicletas e Scooters Elétricos também são Veículos Elétricos Plug-in (sigla em inglês PEV) só que com apenas duas (ou três rodas, no caso dos triciclos), que podem ser recarregadas a partir de qualquer fonte externa de eletricidade (em geral diretamente da rede elétrica CA) e que a energia elétrica acaba sendo armazenada a bordo, em uma baterias de potência recarregável. Estes VEs são dotados de um ou mais motores elétricos para prover a tração nas roda, que as fazem se locomover. As Motocicletas Elétricas, distinguem-se dos Scooters, por não ter um quadro vazado (também chamado de quadro aberto, quadro baixo ou quadro feminino, em inglês, step-through frame).

Brammo Empulse R 2012 Portal de Carregamento c/ conector SAE J-1772

Também a faixa de potência e, conseguintemente a faixa de velocidade das Scooters costuma ser menor do que a faixa das motocicletas. Quanto a montagem, as Scooters tem a carroceria toda encapsulada, o que lhes dá um ar de maior "limpeza", produzindo menor ruido sonoro, bem como tendo mais espaço de armazenagem incorporado .Já há bastante tempo que em português do Brasil, a motocicleta passou a ser chamada, simplesmente, de moto.

Embreagens automáticas e transmissões continuamente variáveis ​​(CVT) torna as Scooters mais fáceis de aprender e de dirigir. Scooters geralmente têm rodas menores do que motos. Scooters costumam ter o motor como parte do braço oscilante, de modo que seus motores se deslocam para cima e para baixo com a suspensão.

Motociclistas experientes frequentemente relatam sobre uma "sensação única" ao se dirigir uma  moto, que é a de integração entre homem e máquina com sendo um único corpo. Eu mesmo já experimentei diversas vezes esta sensação é realmente fascinante e, apesar de eu ter um razoável conhecimento técnico de acionamentos elétricos para tração de transporte, eu não sei dizer o que é que pode mudar exatamente, a nível sensorial humano, quando se dirigir uma motocicleta elétrica que, apesar de se mover com uma agilidade equiparável e até de melhor performance dinâmica do que as motos tradicionais, quase não emite ruido sonoro algum. Eu venho estudando e falando mais sobre os carros, porque o mundo fala mais sobre carros do que sobre motocicletas mas, eu confesso, que a minha curiosidade e expectativa com a experiência pessoal de dirigir uma moto elétrica, é ainda bem maior do que foi com o carro elétrico.

BMW C evolution Electric Scooter 2012 (PROTÕTIPO)

A produção comercial atual (novembro de 2012) já apresenta várias marcas e modelos, tanto de Motos quanto de Scooters elétricos disponíveis em diversos mercados ao redor do mundo.

O conceito de "motos elétricas" não é uma ideia nova, pois as primeiras referências a motociclos eléctricos podem ser encontrados nos registros de patentes norte-americanos desde 1860. Todavia, apesar dos muitos esforços de pioneiros e mesmo ao menos uma tentativa de fabricação em massa (no caso do Scoot'Elec Peugeot, que foi uma motoneta elétrica produzida pela Peugeot na França entre 1996 e 2006), ela só passou a ter um maior impulso comercial a partir do ano de 2000, quando verificou-se que, com as baterias de íons de lítio e conjuntos de acionamentos e motores elétricos de mais alto desempenho e rendimento, que vinham sendo introduzidos às motocicletas, visando originalmente aplicações militares, acabaram por resultar, também, em produtos comercialmente mais viável.

Sem um escapamento, motocicleta elétrica de arrancada Killacycle fritando os pneus.

Em 2007 uma Killacycle, motocicleta com motor elétrico construída com o propósito especifico de corridas de arrancada, modelo A123, movida a bateria de íons de Li (LiFePO4), definiu um novo record mundial para o quarto de milha (arrancada de 400 metros) que foi percorrido no tempo de 7,824 s, a uma velocidade média de 168 mph (270 km / h) em Phoenix, Arizona, EUA.

A partir de 2009 começou a crescer nos EUA, tanto em número, quanto em importância, os eventos esportivos relacionados com motos elétricas, como a primeira edição de "As 24 Horas de Electricross", o primeiro evento corrida de resistência para motos elétricas do tipo fora de estrada (motocross) e, igualmente, a primeira edição do "Grande Prêmio Radical Contra o Relógio", o TTXGP, idealizado por Azhar Hussain, em 2008.

Este ultimo novo evento, de nível internacional, ocorreu inserido num evento maior que foram as corridas da ilha de Man 2009, realizadas no circuito de 37,733 milhas (60,725 km) especial para motocicletas de corrida "movidas, sem a utilização de combustíveis à base de carbono e que emitem zero de tóxicos / nocivos".

Para 2010 o evento foi substituído por TT Zero, também criado para  motocicletas de emissões zero. Em 2010, Hussain organizou corridas de motocicletas elétricos na América do Norte e Europa, que culminaram em um campeonato mundial em Albacete, na Espanha. A série se expandiu para incluir Austrália em 2011, juntamente com corridas nos Estados Unidos e Europa.

Em 2010, a ElectroCat foi a primeira motocicleta elétrica a subir a montanha Pikes Peak, a 16 km a oeste de Colorado Springs,  no Condado de El Paso, Colorado, EUA.e definir um tempo recorde de subida no Internacional Pikes Peak Hill Climb.

Motocicletas elétricas incluem as marcas: Zero DS, Brammo Empulse, Native S, Moto Czysz E1PC e Vectrix scooter.

Apesar de estar relacionada a uma indústria e mercado, ambos ainda incipientes, as motocicletas elétricas estão começando a ganhar uma posição no mercado e a chamar cada vez mais atenção. Como os custos já começam a cair e a tecnologia das baterias continuamente a melhorar, é provável que você se veja mais e mais diante destes tranquilos veículos de duas rodas, seja rodando pelas estradas ou mesmo fora delas.

Em 2012 a empresa austríaca KTM Sportmotorcycle AG apresentou durante o EIMCA (Milan Motorcycle Show) a versão de produção da motocicleta elétrica fora de estrada Freeride E: uma máquina sem ruídos, leve e ágil.

Como está agora, do mesmo modo que ocorre na questão dos carros elétricos, o maior obstáculo para o sucesso comercial das motocicletas elétricas é a autonomia. Enquanto suas primas bebedoras de gasolina  podem viajar algumas centenas de quilômetros com um tanque, as motocicletas elétricas estão lutando para se aproximar da metade da autonomia delas.

No entanto, as motocicletas elétricas já estão em vantagem em termos de custo de abastecimento que é bem mais baixo, além dos custos de manutenção que também tendem a ser menores.

Apenas pequenos fabricantes estão levando a cabo a fabricação de motocicletas elétricas neste momento da história, o que faz com que se abra um amplo e atraente leque de expectativas e de oportunidades, mas nenhum dos grandes fabricantes está ignorando esta nova tecnologia e muitos deles têm os seus projetos e protótipos.

Em Outubro último passado (2012), a Zero Motorcycles apresentou a sua linha 2013, brandindo cinco novos modelos: a S, DS, XU, MX e um novo modelo de rua, a FX.

Atualizadas com a mais avançada tecnológica, a. Zero garante ter alcançado um aumento médio de 99% energia armazenada nas baterias de todos os modelos, com a emblemática Zero modelo S sendo capaz agora de alcançar uma alegada autonomia de 137 milhas (220 km) com uma única carga de bateria.

Zero modelo S

Para atingir isso, a linha da Zero foi completamente redesenhada, revisando os quadros de cada máquina para proporcionar uma melhor ergonomia, facilitando a integração do novo hardware. Os motores refrigerados a ar Z-Force,  também são totalmente novos este ano, e são alimentados através de conversores de 2,8 kW.h a 11,4 kW.h dependendo do modelo da moto.

Com uma autonomia de 200 km, velocidade final de 153 km/h e um tempo de carga possível de uma hora, a Zero modelo S vem construindo um forte argumento para a viabilidade de motociclos elétricos. (ver o review completo em 2013 Zero Motorcycles Lineup).

Brammo Empulse R

Já a Brammo tem provocando o mundo com suas motocicletas elétricas modelos Empulse e Empulse R há mais de dois anos. Gozando de garantias de desempenho de 100 mph (160 km/h) e 100 milhas (160 km) de autonomia por carga, que as tornam bastante competitivas, a um preço de varejo de US$ 18.995 para a Empulse R, que custa dois mil dólares a mais do que a Empulse básica e apresenta suspensão totalmente ajustável e peças de fibra de carbono. Um review completo dessa moto pode ser encontrado em 2013 Brammo Empulse R Review - Video).

Geralmente, a fonte de energia para o motor elétrico das motos e scooters elétricos tem sido baterias, notadamente, nos últimos anos em que estas máquinas vem se tornando produtos comerciais, as baterias de íons de lítio mas, no contexto paralelo do desenvolvimento da tecnologia das denominadas células combustíveis, criou-se, também, vários protótipos (não comerciais). Alguns exemplos são: a ENV (Emission Neutral Vehicle) da Intelligent Energy, que é um protótipo de moto elétrica alimentada por uma célula de combustível de hidrogênio, a scooter da Honda com o Honda FC Stack, e a Yamaha FC-Aqel. Além disso, motocicletas com alimentação de tração híbrida (combustível + elétrico) estão disponíveis. Alguns exemplos são a Ecycle e a Yamaha Gen-Ryu (protótipo conceitual).

As motocicletas elétricas (de rodas) geralmente são diferenciadas das bicicletas elétricas e ciclomotores (ciclomotores c/  pedal) pela velocidade final que podem desenvolver, com as motos atingindo maior velocidade, geralmente superior a 30 mph (cerca de 50 km/h). Todavia, esta linha divisória tem se tornado cada vez mais tênue, devido ao estilo, ao marketing, opinião pública, tornando-se cada vez mais difícil de estabelecer uma exata diferenciação entre bicicletas elétricas e motocicletas elétricas.

Alguns modelos de bicicleta elétrica assumem a forma de scooters ou motos pequenas, porém mantendo características de porte e de faixas padrão das bicicletas elétricas (e-bikes) comuns, mas incrementadas com revestimentos plástico ou metálicos, sistemas de iluminação, indicadores e luzes de freio, e velocímetros. Estas são, no entanto, ainda classificadas como e-bikes na maioria das áreas. No entanto, as polêmicas, principalmente aquelas relacionadas às questões de ordem regulamentária de trânsito, tendem a se acirrar ainda mais, como tem acontecido em países como o Brasil.

Para mais detalhes veja: ABVE envia proposta para regulamentação dos veículos elétricos de duas e três rodas 

O esquema básico de um sistema de tração elétrica (powertrain) de uma moto ou scooter é, de maneira geral, semelhante ao dos carros elétricos, diferenciando, principalmente pelo porte, que tende a ser menor.

Alguns dos subsistemas (dispositivos) eletroeletrônicos de potência típicos empregados na constituição do sistema de tração de motocicletas elétricas (da Mission One). Da esquerda para a direita:  1- Motor Elétrico CA de Imãs Permanentes, 2- Controlador (Inversor) do Motor , 3- Unidade de Potência Controladora de Carregamento Embarcado, 4- Módulo de Bateria de  Íons de Lítio. Nota: 2 e 4 são arrefecidos por  refrigerante líquido.

Até 31/11/2011, as motos "amigas do meio ambiente" tinham os mesmos status e direitos dos VEs nos Estados Unidos, mas os benefícios federais foram suspensos para motocicletas elétricas, desde de 01/01/2012, apenas alguns incentivos estaduais na Califórnia foram mantidos. Agora o governo norte-americano, já pensa em voltar oferece incentivos a possíveis compradores de motocicletas elétricas. Segundo um projeto de lei, a taxa estabelecida foi de 10% em relação ao preço da moto, mas foi decretado um teto de US$ 2.500 de incentivo.

A medida tenta diminuir o preço das motocicletas elétricas nos Estados Unidos, já que chegam a custar mais cara que motos "convencionais". Com o crescimento dos pontos de recarga por todo o país, esse incentivo visa estimular a indústria e, claro, as pessoas a comprar um veículo ecologicamente correto.

A WEG Participa do Desenvolvimento do Veículo Elétrico Brasileiro

Em Julho/2011, no mesmo ano em que a empresa comemorava 50 anos de existência, a WEG Indústria S/A recebeu por parte do BNDES, a aprovação de financiamento especial no valor de R$ 7,5 milhões, para compor um investimento total de R$ 12 milhões em pesquisa e desenvolvimento de motores elétricos para sistemas de tração de veículos elétricos. O prazo para apresentação das primícias de resultados está prevista para Dezembro/2013.

Unidade fabril 1 da WEG (Jaraguá do Sul)

Obviamente que este não parece ser um montante considerável para a importância de tal propósito e, obviamente que a WEG,  concomitantemente ao projeto de motores, precisará estar desenvolvendo, também, Inversores de Frequência específicos (Inversor Multinível), com Índice de Proteção elevado o bastante para operar em ambiente de extrema agressividade para tais aplicações, compondo um conjunto Inversor-Motor-Redutor adequado. Todavia, ambos os casos, tratam-se de produtos os quais a WEG já possui expertise global correlato suficiente, para chegar ao efetivo exito dessa missão, “com um pé nas costas” pois, ela já é, de fato, uma das potências mundial em ambas as áreas: Motores e Acionamentos.

Ainda assim, os recursos serão liberados por meio da linha Inovação Tecnológica, uma vez que os novos motores deverão trazer efetivos avanços tecnológicos em relação aos que já são existentes. Os motores seguirão duas rotas tecnológicas: a de tração elétrica híbrida (eu suponho que focada no modelo de veículo hibrido em série) e a de tração puramente elétrica.

Unidade fabril 2 da WEG (Jaraguá do Sul)

Empresa de origem genuinamente brasileira, fundada em 1961, nasceu da feliz e harmônica reunião de três homens com um único destino: um eletricista (Werner Ricardo Voigt), um administrador (Eggon João da Silva) e um mecânico (Geraldo Werninghaus),  que  começou em 16 de setembro de 1961, quando os três fundaram a Eletromotores Jaraguá. Anos mais tarde, a empresa viria a ganhar uma nova razão social, a Eletromotores WEG SA, fundada e instalada em Jaraguá do Sul (Santa Catarina), a WEG é reconhecida atualmente como uma das maiores fabricantes de motores elétricos do mundo. Presente atualmente em mais de 100 países nos cinco continentes, a WEG já produziu globalmente bem mais de 100 milhões de motores elétricos, marca atingida quando a empresa comemorou 45 anos em 2006. De lá para cá, contando com cerca de 20 mil colaboradores, se tornou capaz de produzir mais de 10 milhões de motores elétricos anualmente, além de uma vasta gama de dispositivos eletroeletrônicos para automação industrial, bem como sistemas elétricos industriais completos.

Triciclo Pompéo - Tração Elétrica WEG

Também na área de Acionamentos Eletrônicos de Máquinas Elétricas CA (Motores de Corrente Alternada), com Inversores de Frequência, a WEG já vem se firmando e se destacando, desde o início dos anos 90, evoluindo juntamente com o mercado internacional e apresentando atualmente, a produção de uma linha bastante diversificada destes dispositivos, para uma vasta gama de aplicações industriais, incluindo Servoconversores e Inversor de Frequência de Fluxo Vetorial aplicados ao transporte e movimentação de cargas e mobilidade de pessoas.

Carro Elétrico de
Competição com Inversor CFW11

A WEG é associada e fundadora da ABVE – Associação Brasileira de Veículos Elétricos e lançou em 2009, o folheto VE News. No mesmo ano um grupo de engenheiros que trabalha na incubadora de empresas da Usina de Itaipú e também a própria WEG, apresentaram o Triciclo Pompéo, um veículo elétrico brasileiro leve (450 a 600kg), que opera com tração elétrica da WEG.

Em abril de 2012, durante a 8ª Competição Fórmula SAE BRASIL – Petrobras, foi apresentado o primeiro carro elétrico de competição do Brasil que é equipado com motor e inversor WEG, desenvolvido por uma equipe de estudantes de engenharia mecânica e elétrica da FEI, empregando o inversor de frequência CFW11, versão Modular Drive refrigerado à água.

Estação de Carregamento de VE Dual

O financiamento à inovação é contemplado com condições financeiras especiais do Programa BNDES de Sustentação do Investimento (BNDES PSI), de 4% ao ano e, as atividades deverão ser realizadas prioritariamente na sede da empresa em Jaraguá do Sul (SC), o que pode demandar a implementação de um laboratório dedicado, exclusivo para motores e acionamentos de veículos elétricos, mas também poderão ser executadas por parceiros tecnológicos, como consultores, universidades ou institutos de pesquisa nacionais.

Entre os méritos do projeto, está o alto potencial de crescimento do mercado de veículos elétricos, com demanda nacional em nichos específicos e gerais. Entre as tecnologias inovadoras, estão o desenvolvimento de um sistema de tração mais leve, e de um novo sistema de refrigeração que permita a redução de peso e aumento da confiabilidade dos motores.

Por ser uma potência brasileira como fabricante de máquinas elétricas, incluindo motoredutores, já com tradição no segmento de tração elétrica, incluindo trólebus e embarcações, a WEG poderá contribuir grandemente para o desenvolvimento de uma indústria nacional de veículos elétricos. A WEG já possui, no interior das instalações da sua sede em Jaraguá do Sul, uma estação de abastecimento de veículos elétricos dupla, para uso interno no carregamento das baterias da sua frota de veículos.

Um Pouco Sobre Motores para Veículos Elétricos:

O VE puro mais vendido no mundo, atualmente, é o Nissan LEAF e os engenheiros que o projetaram optaram por um motor CA Síncrono de Imãs Permanentes no Rotor (PMAC). Este não é o motor CA mais simples e eu creio que isso poderá vir a ser revisto futuramente pois, não há nada que efetivamente impeça a aplicação do motor CA assíncronos, com rotor do tipo "gaiola de esquilo" - o motor CA mais simples que existe - nos EVs, de um modo eficiente e competitivo.

O motor síncrono de imãs permanentes internos (PMAC) têm peças de magnetos permanentes incorporadas ao corpo do rotor, que é de aço sólido, para criar um campo magnético constante. Essa característica construtiva torna este motor, comparativamente, (consideravelmente) mais caro. Na velocidade síncrona, os pólos formados pelos imãs permanentes do rotor, se intertravam com o campo magnético girante do estator, resultando numa velocidade síncrona, ou seja, uma velocidade que é precisa, não havendo o escorregamento, característico do motor de indução (motor assíncrono) mas, o o motor PMAC tem o "cogging" torque.

O cogging torque dos motores elétricos de Imãs Permanentes (PM) é o torque devido à interação entre os magnetos permanentes do rotor e as ranhuras do estator de motor de PM. Também é conhecido como torque de retenção ou torque de "não corrente". Este torque é dependente da posição, da velocidade e  depende do número de pólos magnéticos formado pelos imãs permanentes na periferia da circunferência do rotor e o número de endentamentos no estator.

O Cogging torque é um componente indesejável para o funcionamento de motores para VEs pois ele resulta em vibração. É especialmente importante em velocidades mais baixas, onde a ondulação da velocidade produz sintoma de solavancos. Se você girar com as mãos o eixo de um motor de PM desenergizado, você poderá sentir o efeito dando a impressão como se ele tivesse, internamente, uma roda dentada mecânica. No entanto, em altas velocidades, os resultados do cogging torque bem como da ondulação de velocidade são consideravelmente filtrados pelo momento de inércia.

Motores CA de PM são, de maneira geral, algo mais eficientes do que os motores de indução. Isto é devido a uma combinação das perdas que ocorrem do rotor (perdas por correntes de Foucault (1)) e da "penalização de excitação", ou seja, da corrente extra que é necessárias para para se produzir o fluxo de magnetização, em um motor de indução de gaiola. Mas esta generalização é fortemente dependente do tamanho do motor.

Além do mais, na prática, pra aplicação em VEs, aparece uma complicação: no motor do Nissan Leaf, por exemplo, foi preciso adotar uma configuração de enrolamentos distribuídos, a fim de reduzir o cogging torque, embora que isso faça com que as perdas no cobre se tornem um pouco maior do que com enrolamentos concentrados.

À medida que se aumenta de porte (a potência) da máquina elétrica (motor), a corrente necessária para produzir uma certa densidade de fluxo aumenta linearmente, mas com isso, a secção transversal do fio condutor de cobre a ser usado no enrolamento do estator aumenta ao quadrado.

Isto significa que em motores de indução de maior porte (tais como os que são necessários aos VEs), comparativamente, pode ocasionar a adição de uma grande quantidade de cobre a mais, por causa da secção transversal maior necessária, resultando num motor comparativamente maior, porém com mais eficácia para remover qualquer calor a partir do estator. Claro que isto aumenta o custo do estator (cobre) em comparação com o fio mais fino que se pode usar num motor PMCA. Mas ainda assim, existe o custo (elevado) do rotor de uma máquina de ímã permanente grande.

Então, é tudo muito questionável e, eu me atrevo a arriscar dizer que, para motores de 100 - 150 CV, tanto o PMCA quanto o motor de indução, podem, ambos, ser igualmente competitivos. Apesar de que alguns  carros elétricos têm utilizado os motores elétricos que dependem de ímãs permanentes. O motor do VE Tesla Roadster não possui imãs, em vez disso, ele utiliza apenas pilhas de placas de metal modelados e os fios condutores que geram campos eletromagnéticos. A empresa escolheu o motor de indução CA porque ele é simples, confiável e eficiente em uma ampla gama de velocidades. Prova prática disso, é que o VE puro esportivo Tesla Roadster, funciona muito bem, com um motor a indução, operado em alta performance.

O motor de indução trifásico do Tesla Roadster é especificado para 375 VCA, pesa atualmente apenas 52 kg (mais leve do que o motor PM do Nissan Leaf que pesa 58 kg). É de 4 polos e opera a uma rotação máxima de 14.000 rpm. Está conectado a uma caixa de velocidades com apenas uma engrenagem com relação de 8,2752 : 1 . Mesmo com seu tamanho e peso reduzidos, é lhe atribuída a capacidade de produzir uma potência máxima líquida de 248 hp (185 kW). O torque máximo é de 270 N·m, e ele pode acelerar de 0 a 100 km/h em um tempo de menos de 4 segundos (mais rápido do que o Porsche 911).

O motor de indução, CA trifásico, que fez história no mundo todo e fez também a riqueza da WEG, sendo, ainda hoje, o carro chefe dos seus produtos, foi patenteado por Nikola Tesla em 1888, que hoje empresta o seu nome para a empresa Tesla Motors de Palo Alto, Califórnia e para o VE (um super VE, verdadeiro bólido, mas que poucos podem pagar) que ela fabrica. O Roadster tem um preço base de US$ 109.000 nos EUA.

O Sistema de Armazenamento de Energia do Tesla Roadster, totalmente carregada, armazena cerca de 53 kW.h de energia elétrica em uma tensão nominal de 375 V e pesa 450 kg. Além do mais ele é dotado do carregador embarcado mais potente dentre todos os VEs puros, de 16 kW (220V, 70A). A Tesla agora, aproveitando a experiência adquirida, está realinhando sua aposta em um modelo que possa ser mais popular, o Tesla Modelo S e, talvez por isso, venha a descontinuar a produção do Roadster mas, ele já se tornou lendário!

NOTAS:

(1) - As correntes de Foucault originam-se em massas metálicas. Sendo estas condutoras, a sua resistência elétrica é muito baixa. Por isso, as correntes que se formam são muito elevadas. São correntes circulares e, dada a natureza do meio em que se formam, são correntes de curto-circuito, pois a resistência é próxima de zero. Estas correntes originam-se, por exemplo, em núcleos ferromagnéticos, como nos transformadores, ou no rotor, como no caso do motor de indução ocasionando perdas de energia. É possível diminuir estas perdas aumentando a resistência dos núcleos ferromagnéticos. Uma das medidas é usar aço silicioso (aço com uma pequena mistura de silício), em que uma pequena quantidade de silício produz um aumento da resistência elétrica ou usar chapas de cristais (grânulos) orientados. Outra medida é, em vez de usar núcleos maciços, construí-los com chapas finas sobrepostas.

Sobre o posante Tesla Roadster, veja o vídeo dos suecos! Mesmo que você não entenda nada (igual a mim) as imagens valem mais que mil palavras, veja este vídeo de um entusiasmado entusiasta (já que o vídeo dos suecos deu fail):

Fontes:

BNDES

Os Inversores de Frequência dos Veículos Elétricos

Sistema de Transmissão de um Veículo Elétrico (Nissan LEAF Powertrain):

O LEAF possui um motor elétrico de montagem dianteira de 80 kW (110 hp) e 280 N·m que emprega um motor CA síncrono (de imãs permanentes) trifásico para a tração de rodagem, energizado a partir de um módulo de baterias de Lítio-íon com capacidade energética total de 24 kW·h (86,4 MJ) especificado para entregar até 90 quilowatts (120,7 hp) de potência. O módulo de baterias, refrigerado a ar, contém células de bateria laminadas empilhadas com catodos de manganato de Lítio. O módulo de bateria e o seu controlador em conjunto pesam no total 300 kg (171,4 kg só a bateria) e a energia específica (energia por unidade de massa) das células das bateria é de 140 W·h / kg. Cada módulo de bateria adquirido a partir da Nissan custa em torno de US$ 18.000 (preço a partir de maio de 2010).

De acordo com os testes do ciclo de cinco anos que ainda vêm sendo realizados, a Agência de Proteção Ambiental os Estados Unidos apurou que o consumo médio de energia do LEAF como sendo de 765 kJ / km (21.25kW·h/100 km) e a economia de combustível poupado é avaliada em 1 galão de gasolina a cada 99 milhas (o equivalente a 2,38 litros a cada 100 km).

O consumo equivalente é de 45 km/l (106 mpg-US) em condução na cidade e 39 km/l (92 mpg-US) em rodovias (é isso mesmo, a eficiência na condução dos EVs é muito maior nas cidades do que nas estradas. O LEAF atinge uma velocidade máxima de mais de 150 km/h (93 mph). Extraoficialmente, testes desempenho verificaram que a aceleração de 0 a 60 mph (0 a 97 km/h) se dá em 9,9 segundos.

Talvez isso possa soar algo estranho mas, o Nissan LEAF, assim como o Tesla Roadster e ainda outros EVs, têm um sistema de transmissão com uma única relação. Não há necessidade de nenhuma outra engrenagem mecânica, porque existem características de potência e de torque do sistema de acionamento, que reduzem a necessidade de uma relação de engrenagem mecânica em um motor elétrico, quando acionado o por um inversor de frequência, como é o caso dos EVs.

Os controladores de acionamento (Inversores de Frequência) dos motores CA têm sempre melhorado ao longo dos anos. Em EVs antigos, com motores de CC, houve a necessidade de uma transmissão para permitir a condução reversa (marcha a ré), mas não há mais a necessidade disso.

Nos EVs atuais, o controlador do motor CA, tão somente, comanda o motor girar no sentido reverso, de modo que, mecanicamente, o carro poderia ser conduzido em sentido reverso à mesma velocidade que é conduzido no sentido avante. Obviamente que o fabricante impede que isso ocorra, com alguma proteção via software, aplicado ao controlador. Isto significa que um carro como um Nissan LEAF, não tem nada daquilo que um mecânico poderia chamar de "transmissão".

A potência de tração é transferida para as rodas dianteiras, por meio de uma engrenagem de redução de velocidade simples, uma única engrenagem de redução (de relação x7,94), por meio da qual o eixo do motor é rigidamente acoplado às rodas. Eu posso deduzir que possivelmente o motor CA síncrono do LEAF opere numa gama de velocidades de 0 a 9.000 rpm, enquanto o carro vai de 0 a 90 mph.

A relação Velocidade x Torque pode ser observada no gráfico de eficiência mostrado a seguir.

Podemos constatar que a curva de Velocidade x Torque do motor tem um pico de potência, muito próximo de 2730 rpm (equivalendo aproximadamente a 27,3 mph) de modo que, acelerando desde 0 a 27,3 mph o torque é constante e a potência varia, crescendo com a velocidade e, dai em diante, o motor gira com prejuízo de torque a medida que a velocidade aumenta, de 2.730 rpm até atingir 9.000 rpm (90 mph) final, mantendo, nesta faixa, a potência constante:

O sistema de motorização atinge uma elevada eficiência, de cerca de 95%, numa ampla faixa de funcionamento. Na média ponderada dos pontos de operação utilizados com mais frequência pelo veículo, a motorização elétrica ainda proporciona uma alta eficiência de mais de 90%.

A figura anterior mostra a performance dinâmica, com a relação entre as características do motor elétrico e do desempenho do veículo necessário em termos de força de acionamento e a velocidade do veículo. Com o motor elétrico fornecendo um torque máximo de 280 Nm e uma potência máxima de 80 kW, o Nissan LEAF oferece desempenho suficiente e prático comparável aos veículos com motor a gasolina, incluindo uma velocidade máxima de 150 km/h.

Ao contrário de um motor de combustão interna convencional, o motor do Nissan LEAF é puramente elétrico e operado por um Inversor de Frequência que possibilita oferecer um torque máximo desde velocidade zero, proporcionando aceleração suave e consistente, eliminado solavancos ou queima de fricção. O desempenho na gama de velocidade baixa a média é equivalente ao de um veículo a gasolina V6. Este sistema proporciona uma potência altamente sensível, divertida experiência de dirigir, consistente com as expectativas dos consumidores veículos tradicionais movidos a gasolina.

O motor do Nissan LEAF é um Motor CA Síncrono de Imã Permanente Interior, com um design original adaptado às necessidades de condução do veículo. Mesmo sendo de tamanho compacto, entrega uma alta potência e eficiência e permite uma resposta rápida e uma operação silenciosa. É desenvolvido com especificações de desempenho direcionados especificamente, para uso no exclusivo no Nissan LEAF e é fabricado pela própria Nissan. As principais especificações deste motor inclui a geração de um torque máximo de 280 Nm, uma potência máxima de 80 kW, uma velocidade de acionamento máxima de 10.390 rpm, pesando apenas 58 kg.

A aparência externa do inversor é mostrada na figura a seguir e as suas especificações estão listadas na tabela. O inversor recebe sinais de comandos provenientes do sistema através de uma Rede de Controlador de Área (rede CAN) e aciona o motor rigorosamente, por meio de um sistema de controle por realimentação em corrente. O projeto do inversor e de seus componentes, incluindo o módulo de alimentação com a sua estrutura original, foram idealizados tendo como premissa a refrigeração a água. Deste modo, o custo e o nível de desempenho foram optimizados, garantindo simultaneamente a confiabilidade necessária para aplicação específica no Nissan LEAF.

Assim como ocorre no Chevy VOLT, no LEAF a bateria de 345V é diretamente conectada a entrada de alimentação do Inversores provendo um barramento CC vigoroso, com tensão estável, protegendo os transistores do inversor. O Inversor fornece uma tensão 300 V_AC (Nom), com correntes de 250A a 350A, para o motor girar, muito provavelmente usando IGBTs 600V.

Tanto o motor quanto o inversor foram desenvolvidos pela Nissan, e o sistema de energia gera 110 CV de potência e 207 lbf.ft de torque.

O Nissan LEAF possui frenagem regenerativa, de modo que, toda vez que reduzimos velocidade ou aplicamos os freios, o motor elétrico atua como um gerador elétrico, e a energia que ele gera não é desperdiçada, mas sim, é reconvertida de volta para a bateria. Assim, quando se conduz o veículo em uma descida de serra, dependendo do modo como se conduz, pode-se chegar ao destino com mais energia do aquela que se tinha na origem. Isto é verdadeiramente um fato.

Conduzindo o veículo no Modo Eco, reduz-se o ar condicionado, e aumenta-se a frenagem regenerativa em até 10%. O Medidor de energia do Indica o nível de energia da frenagem regenerativa, que é convertido de volta para a bateria Lítio-íon, assim como indica, também, o nível de energia consumida, durante a condução.

O motor de acionamento elétrico fornece resposta de torque notável e esta característica, por si só, pode ser usada para melhorar drasticamente a resposta do veículo a uma entrada em aceleração. No entanto, como os EVs não tem um conversor de torque, uma entrada súbita de torque pode produzir vibrações (agitação) torção no sistema de transmissão, causando um problema de um declínio visível no conforto de condução.

Um sistema mecânico de controle de vibrações, consistindo de compensadores feedforward e feedback, foi adotado para este acionamento na caixa do redutor, a fim de aproveitar a vantagem da capacidade do acionamento do motor de fornecer uma resposta rápida e suave do veículo quando este entra em aceleração, enquanto, simultaneamente, suprime a vibração. As figuras acima mostram os gráficos referentes ao controle de vibração.

Isso resulta na obtenção do bom desempenho de condução, de modo agradável, que caracteriza os veículos elétricos. A figura ao lado mostra a comparação de resposta de aceleração entre o Nissan LEAF e um veículo de motor a gasolina da mesma classe.

A aparência externa e vista em perspectiva do redutor é mostrado na figura ao lado. O motor elétrico é integrado a esse redutor de velocidade única. Um número mínimo de itens de redução de fricção foi adotado neste sistema redutor tal, como os rolamento de roletes, o óleo de baixa viscosidade, a estrutura de resistência anti vibração e o freio de estacionamento. Como resultado, uma eficiência muito elevada da motorização é alcançada, o que contribui para a extensão da gama de condução.

Sistema de Controle Elétrico do Nissan LEAF:

O VCM (Vehicle Control Module) é o controlador mestre que gerencia e realiza as trocas de informações entre ele e os demais controladores escravo do veículos. O VCM, então, decide e instrui na operação mais adequado do EV. As funções principais são as seguintes:

1. Controla os procedimentos da inicialização e do desligamento sistema EV;
2. Calcula da força motriz do veículo de acordo com a operação do motorista, com as condições da bateria e o estado do veículo, comandando o inversor para uma saída do torque;
3. Calcula a melhor corrente de carga, de acordo com o estado da bateria, com a condição do monitoramento térmico e a capacidade de carga máxima da estação de carregamento, comandando no carregador embarcado;
4. Reserva o tempo de startup do sistema para temporizar o carregamento e o ar-condicionado, etc;
5. Controla um sistema de refrigeração, incluindo uma bomba de água e um ventilador do radiador;
6. Calcula DTE (Distância Para Vazio), o tempo de estimativa para terminar um carregamento, e o consumo de eletricidade. Estas informações são exibidas em um mostrador na tela de navegação;
7. Monitora e diagnostica os sistemas do EV e opera mecanismos de proteção a falhas e mensagens;
8. Gerencia a comunicação entre os controladores do EV.

Unidade de controle eletrônico do Nissan LEAF

Conversões de Unidades de Medida:

Padrão Americano	Padrão Internacional	Grandeza Medida
1 mpg (milha por galão)	0.4251437 km/l (quilometro/litro)	“consumo”
1 gal (galão)	3,785412 l (litro)	Volume
1 mi (milha terrestre)	1,609344 km (quilometro)	Comprimento
1 hp (horse power)	1,0138697 CV (cavalo vapor)	Potência
Outras conversões de unidades
1kW (kilowatt)	1,341022 hp (horse power)	Potência
1 kW·h (kilowatt.hora)	3600 kJ (kilo Joule)	Energia

Veja também:

Os Inversores de Frequência dos Veículos Elétricos

Carlos Ghosn e "A Vingança do Carro Elétrico"

Nissan Construirá Nova Fábrica em Resende - RJ - Enfim, o Carro Elétrico?

O Básico Sobre o Sistema de Tração de Veículos Elétricos

Bateria de Veículos Elétricos (Nissan LEAF)

Bateria de Veículos Elétricos (VEs) - Nissan LEAF

A bateria de Íons de Lítio (Li-ion), de 24kW·h do Nissan LEAF, possui refrigeração a ar (o que representa um de seus principais diferenciais sobre outras baterias de VEs, até então), e consiste de 48 módulos e cada módulo contém quatro células, totalizando de 192 células, e é montada pela Automotive Energy Supply Corp  (AESC) - uma joint venture entre a Nissan, a NEC e a NEC Dispositivos de Energia, em Zama, Japão.

O LEAF tem um motor elétrico CA síncrono (de imãs permanentes) de 80 kW e a bateria do LEAF precisou ser dimensionada para fornecer uma energia, algo quase quatro vezes maior, do que aquela que se dá em um carro híbrido típico. Para isso, a bateria do LEAF se tornou bastante grande e pesada, em comparação com as baterias típicas dos carros híbridos.

Os EVs (Electric Vehicles), em português VEs (Veículos Elétricos), com suas relativamente enormes baterias têm uma vantagem sobre os híbridos, que é justamente a questão da estabilidade da tensão da bateria, mesmo em alta demanda, enquanto que, num híbrido a bateria é utilizada para mover o carro, apenas em condições de torque e velocidade menores, ou seja, de potência mais baixa, onde as demandas de energia são modestas.

No hibrido a bateria é considerada, apenas, como uma fonte extra de energia e assim, é dimensionada de modo que podem ocorrer afundamentos do valor da tensão fornecida de até cerca de 25% sob carga e para resolver este problema alguns híbridos precisaram introduzir um regulador de tensão bidirecional entre a bateria e o inversor, encarecendo o projeto, uma vez que isso corresponde, essencialmente, a adicionar um segundo inversor de alta potência em série com o inversor principal que aciona o motor.

Os novos EVs e híbridos passam a abrigar células prismáticas de Lítio-íon em suas baterias, a medida que estas provam as suas melhores qualidades. Uma das razões da opção por bateria de íons de Lítio é justamente pela característica que esta apresenta de maior estabilidade da tensão fornecida sob variação de caraga, onde os afundamentos da tensão não passam de 10%. Isso simplifica o projeto elétrico e a bateria pode ser conectada diretamente ao inversor, sem a necessidade de pre reguladores de tensão, nem de capacitores extra no barramento CC, e a autoestabilização da tensão propiciada pela enorme bateria, ainda protege os transistores de sobretensão.

Cada uma das 192 célula (4 células por módulo, portanto 48 módulos) do pacote de bateria
do Nissan LEAF é especificada para uma capacidade de 32,5 A.h (ampere-hora)
e tensão nominal de 3,75 V (4,2 V no máximo)

A tecnologia Lítio-íon permite fornecer até 11 vezes a densidade de potência de uma bateria NiMH em aplicações híbridas ou duas vezes a densidade de energia em carros elétricos. Ao contrário de Níquel-Cádmio, baterias de íons de células não têm efeito de memória que, após uso repetido, diminui a sua capacidade de armazenamento. E não se esgotam quando o carro fica estacionado por períodos prolongados. As células mais comuns atualmente em uso automotivo possuem dimensões aproximadas de 160 mm por 226 mm por 7,2 mm.

As células individuais são interligadas para formar os módulos e os módulos são embalados, juntamente com monitores de estado de carga, reguladores de tensão e termopares para fazer um pacote. Um sistema de bateria completo também tem o seu próprio arrefecimento e aquecimento, arrefecido a água, ou simplesmente ventilado, para manter as temperaturas ideais de funcionamento.

Cada um dos 48 módulos (tais como o que é mostrado a esquerda) do pacote de baterias do Nissan LEAF contém, em seu interior, 4 células (tal como a que é mostrada à direita)

Como em outra bateria qualquer, os três principais componentes funcionais de uma bateria de íons de Lítio são o eletrodo negativo (ânodo), eletrodo positivo (catodo), e o eletrólito. Em cada célula, existem múltiplos cátodos (placas positivas) e ânodos (placas negativas) ensanduichados com material dielétrico de separação e um gel eletrólito condutor que consiste em sal de Lítio num solvente orgânico.

Os cátodos podem ser constituídos por finas folhas de colectores de corrente de alumínio eletrolítico, revestidos com um material de fosfato de Lítio e os ânodos são feitos de uma fina folha de cobre revestida com carbono. Em uma célula completamente carregada, os íons de Lítio são armazenados no ânodo, mas quando a bateria fornece energia ao motor, os íons de passam através do eletrólito através do separador para o cátodo. Este processo é invertido durante o carregamento.

A bateria atual do Nissan LEAF (desde o seu lançamento até agora, 2012) é fruto de uma parceia da Nissan com a também japonesa AESC - Automotive Energy Supply Corp, cujo capital é representado por Nissan Motor Co., Ltd.: 51 % e NEC Corp. + NEC Energy Devices, Ltd.: 49 %.

A tecnologia é baseada em  Espinela de Lítio Manganês (LMO) - LiMn₂O₄  que, das cinco tecnologias atuais de baterias de Íons de Lítio, é aquela é aquela que mais se destaca no quesito "Segurança" e "Performance", todavia, em detrimento aos quesitos "Custos" e "Energia Específica" (mais detalhes técnicos, por favor, veja em:

Baterias de Íons de Lítio – Tecnologias e Bases de Custos (Parte 1/3)

O fato é que a Nissan foi bastante esperta e, apostou na formação de uma boa reputação para a bateria do seu carro nestes primeiros anos de lançamento, dotando-o de uma bateria de elevada segurança, que trabalha relativamente fria e não requer um sistema de refrigeração, como ocorre com outros EVs e cuja performance, em geral, dispensa a necessidade de climatização específica, seja para atender diferentes estações do ano, ou mesmo de regiões dos países em que o Nissan LEAF está sendo vendido e utilizado, mesmo com isso implicando em alto custo de entrada para o usuário, ou a necessidade de descontos para atingir as vendas, ou mesmo que a bateria seja, relativamente, pesada e volumosa.

Enquanto a boa reputação se forma junto a opinião pública, a Nissan vem trabalhando na segunda geração de sua bateria para o LEAF (ou para outro modelo de VE que venha a ser, eventualmente, projetado e lançado). Isto tem implicado em migração da tecnologia base, da atual LMO para a futura tecnologia NMC (LiNiMnCoO₂).

Muito provavelmente, a bateria de íons de Lítio de tecnologia NMC, que deverá estar pronta, produzida e embalada para o LEAF 2015 e poderá dotá-lo de uma autonomia algo superior a 180 milhas (290 km), bem mais que as 109 milhas (175 km) atuais. Tal relação sugere que a capacidade da nova bateria do LEAF seja de cerca de 40 kW.h (comparados com os atuais 24 kW.h).

Uma outra coisa interessante, é que essa nova bateria (NMC) poderá, até mesmo, ser mais barata que a atual (LMO). Eu digo "poderá" pois, podemos ter surpresas: assim como todos os demais concorrentes, a Nissan (e a AESC) está correndo atrás de quebra de paradigmas, tentando mesmo inventar coisas novas. A tecnologia NMC atual, mesmo provendo uma maior energia, é, de fato, ainda, mais barata que a LMO mas, no estágio comercial em que ela se encontra, produz baterias que resultam em menor segurança e performance.

Seja o que for que eles estejam aprontando, não creio que a Nissan irá por em risco a sua reputação, recém adquirida, de estar produzindo a bateria mais segura do mercado e isso me faz crer que poderá surgir dai, alguma coisa realmente nova, derivada da tecnologia NMC. Como consumidor, é sentar e esperar, para ver o que será.

Quanto a bateria atual, visando uma tendência de padronização em "tensão total", tanto o Nissan LEAF quanto o Chevy VOLT, que utilizam diferentes arranjos de associação de células em cada módulo, utilizam o mesmo arranjo de módulos: são 48 módulos prismáticos em série e, embora a química da ambas baterias seja um pouco diferente, as células de íons de Lítio em ambos são de 3,6V a 3,8V, de modo que ambos os carros têm uma tensão de bateria de 345 V_CC a 365 V_CC (em circuito aberto).

Especificação dos Módulos de Bateria do Nissan LEAF:

Numero de células	4
Construção	2 pares em série, em paralelo (desenho abaixo)
Comprimento	11.9291" (303 mm)
Largura	8.7795" (223 mm)
Espessura	1.3779" (35 mm)
Peso	8.3775 lbs (3.8 kgs)
Terminal de Saída	M6 nut
Terminal do Sensor de Tensão	M4 nut
Diâmetro do Furo de Fixação do Módulo	0.3582" (9.1 mm)

Todavia, o VOLT utiliza seis células em cada módulo (dois grupos associados em série com três células em paralelo em cada grupo), totalizando 288 células, e o LEAF utiliza quatro células em cada módulo (dois grupos associados em série com duas células em paralelo em cada grupo), totalizando 192 células, todavia, no LEAF, o tamanho de cada célula é aproximadamente duas vezes maior.

Para manter a temperatura da bateria dentro de uma gama estreita, de 70ºF ± 2ºF (de 20ºC a 22,2ºC), o Chevy VOLT utiliza um subsistema de aquecimento/arrefecimento dos módulos de bateria a água, usado para proteger a bateria caso ela fique muito quente ou muito fria. Em contrapartida, o LEAF resfria a bateria a ar, com emprego de um ventilador de modo que a temperatura da bateria fica mais suscetível a variar com ambiente e não existe indicação com respeito a temperatura da bateria no painel do LEAF, todavia, a estrutura em camadas planas além de ser uma composição simples, fornece uma melhor dissipação térmica.

Apenas o tempo de uso poderá dizer se, com isso, haverá ou não alguma significativa diferença de perda de capacidade ao longo da vida útil, a se constituir um problema que venha surpreender para os usuários, comparativamente a essas duas tecnologias, uma vez que a perda de metade da capacidade da bateria, já passar a tornar a condução do carro algo quase impossível.

O AESC indica a bateria do LEAF como sendo de 360V_CC nominais, todavia, uma bateria nova, plenamente carregada, pode chegar, de fato, até algo bem próximo de 400V_CC.

O desenho do LEAF posiciona a bateria, que é a parte mais pesada de qualquer EV, abaixo dos assentos e sob o espaço para os pés do assento traseiro, mantendo o centro de gravidade tão baixo quanto possível e aumentando a rigidez estrutural em comparação com um cinco portas convencional.

Na suas novas instalações industriais em Smyrna, no estado norte-americano do Tennessee, desde 2010, a Nissan anunciou ser capaz de uma produção de 150.000 unidades do veículo Nissan LEAF, bem como de 200.000 unidades do pacote de bateria (a partir de 2012).

Segundo a Nissan, a bateria deverá reter ainda um mínimo de 70% de sua capacidade depois de 10 anos, mas alerta que sua vida útil real dependerá de quantas vezes o carregamento CC rápido (480 V_CC) for usado e também do padrão de condução e de fatores ambientais.

A Nissan informa que a bateria perderá a capacidade gradualmente ao longo do tempo, mas que espera uma vida útil de mais de 10 anos em uso normal.

Bateria do LEAF é garantida pela Nissan, para o mercado norte americano, por oito anos ou 100.000 milhas (161.000 km).

Pacote da Baterias Principal do Nissan LEAF Fechado em seu invólucro

Vista do interior do Pacote de Bateria do Nissan Leaf

A Nissan recomenda aos proprietários as seguintes ações preventivas para ajudar a maximizar a vida útil da bateria Lítio-íon e sua capacidade de reter a carga:

• Evite expor um veículo a temperaturas superiores a 120°F (49°C) durante mais de 24 horas;
• Evite o armazenamento de um veículo em temperaturas inferiores a -13°F (-25°C) durante mais de 7 dias;
• Evite exceder mais que 80% da carga quando feita frequentemente (mais de uma vez por semana) por carga rápida ou ultra rápida;

• Permita que a carga da bateria caia abaixo de 70% antes de carregar;

• Evite deixar o veículo por mais de 14 dias em que o indicador de estado da carga Lítio-íon disponível atinja um valor zero ou próximo de zero.

Além da bateria principal, o LEAF também tem uma bateria auxiliar de 12 volts de chumbo ácido que fornece energia para os sistemas do carro de computadores e acessórios, tais como o sistema de áudio, sistemas de retenção suplementar, os faróis e limpa para-brisas.

O pequeno painel solar no junto ao spoiler traseiro do LEAF (nos Estados Unidos, só vem na versão com acabamento SL) ajuda a recarregar essa bateria extra em 12V_CC.

Ligações:

Baterias de Íons de Lítio – Tecnologias e Bases de Custos (Parte 1/3)

A Eletroquímica do Lítio e sua Aplicação em Baterias de VEs (Parte 1/5)

As Baterias dos Veículos Elétricos Podem Ser Recicladas? 

Sistema de Transmissão de um Veículo Elétrico (Nissan LEAF Powertrain)